過(guò)程裝備制造工藝——11機(jī)械加工表面質(zhì)量課件

1、第篇 過(guò)程機(jī)械制造的質(zhì)量要求 11 機(jī)械加工表面質(zhì)量11 11 機(jī)械加工表面質(zhì)量機(jī)械加工表面質(zhì)量 11.1 11.1 概述概述 11.2 11.2 影響加工表面質(zhì)量的工藝因素影響加工表面質(zhì)量的工藝因素 11.3 11.3 表面強(qiáng)化工藝表面強(qiáng)化工藝11.1 11.1 概述概述機(jī)加工表面質(zhì)量的概念機(jī)加工表面質(zhì)量的概念 掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量影響的規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律控制加工過(guò)程，以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能的目的。 實(shí)踐表明，零件的破壞一般總是從表面層開(kāi)始的。產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量。研究機(jī)械加工表面質(zhì)量的目的研究機(jī)械

2、加工表面質(zhì)量的目的機(jī)械產(chǎn)品的失效形式因設(shè)計(jì)不周而導(dǎo)致強(qiáng)度不夠；磨損、腐蝕和疲勞破壞。 少數(shù)多數(shù)一、機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義一、機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義1表面的幾何特征2表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)紋理方向(1)表面層加工硬化(冷作硬化)。(2)表面層金相組織變化。(3)表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 1 1、表面的幾何形狀特征、表面的幾何形狀特征 加工后表面形狀，總是以“峰”、“谷”的形式偏離其理想光滑表面。按偏離程度有宏觀和微觀之分。波距：峰與峰或谷與谷間的距離， 以L表示；波高：峰與谷間的高度，以H 表示。 波距與波高波距與波高L/H1000時(shí)，屬于宏觀幾何形狀誤差；L/

3、H50時(shí)，屬于微觀形狀誤差，稱(chēng)作表面粗糙度；L/H=50 1000時(shí)，稱(chēng)作表面波度；主要是由機(jī)械加工過(guò)程主要是由機(jī)械加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)低頻振動(dòng)所中工藝系統(tǒng)低頻振動(dòng)所引起。引起。 紋理方向紋理方向 是指表面刀紋的方向，取決于表面形成所采是指表面刀紋的方向，取決于表面形成所采用的機(jī)械加工方法。一般用的機(jī)械加工方法。一般運(yùn)動(dòng)副或密封件運(yùn)動(dòng)副或密封件對(duì)紋理方向有要求。對(duì)紋理方向有要求。 傷痕傷痕 是指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣是指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等。孔、裂痕等。2 2、表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能、表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能表示方法(1)(1)表面金屬層的冷作硬

4、化表面金屬層的冷作硬化 指工件在加工過(guò)程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使指工件在加工過(guò)程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使工件加工表面層的強(qiáng)度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。工件加工表面層的強(qiáng)度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。冷硬層深度 h硬化程度 N 硬化程度：%1000 HHN其中：H加工后表面層的顯微硬度H0材料原有的顯微硬度(2)(2)表面層金相組織變化表面層金相組織變化(3)(3)表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力 指的是加工中，指的是加工中，由于切削熱的作用引起表層金屬金相組織由于切削熱的作用引起表層金屬金相組織發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。如磨削時(shí)常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面如磨削時(shí)

5、常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機(jī)械性能。層的物理機(jī)械性能。 指的是加工中，指的是加工中，由于切削變形由于切削變形和切削熱的作用，工件表層及其基和切削熱的作用，工件表層及其基體材料的交界處產(chǎn)生相互平衡的彈體材料的交界處產(chǎn)生相互平衡的彈性應(yīng)力的現(xiàn)象。性應(yīng)力的現(xiàn)象。殘余應(yīng)力超過(guò)材料殘余應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限就會(huì)產(chǎn)生表面裂紋。強(qiáng)度極限就會(huì)產(chǎn)生表面裂紋。11.1 11.1 概述概述表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能影響表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能影響1 1表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響第一階段第一階段 初期磨損階段初期磨損階段第二階段第二階段 正常磨損階段正常磨損階段第三階段第三階段 急劇磨損

6、階段急劇磨損階段零件的零件的磨損可磨損可分為三分為三個(gè)階段個(gè)階段 不是表面粗糙度值越小越耐磨，不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作條件下，摩擦副表面總是在一定工作條件下，摩擦副表面總是存在一個(gè)最佳表面粗糙度值，表面粗存在一個(gè)最佳表面粗糙度值，表面粗糙度糙度RaRa值約為值約為0.320.320.250.25mm較好。較好。表面粗糙度對(duì)摩擦副的影響表面粗糙度對(duì)摩擦副的影響 重裁情況下，重裁情況下，由于壓強(qiáng)、分子親和力和潤(rùn)滑液的儲(chǔ)存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。表面紋理方向?qū)δ湍バ缘挠绊懕砻婕y理方向?qū)δ湍バ缘挠绊懕砻婕y理方向影響金屬表面的實(shí)際接觸面積實(shí)際接觸面積和潤(rùn)滑液的存留情況潤(rùn)滑液的存

7、留情況。 輕載時(shí)，輕載時(shí)，兩表面的紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，磨損最??；當(dāng)兩表面紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，磨損最大。 過(guò)度的加工硬化會(huì)使金屬組織疏松，甚至出現(xiàn)疲勞裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而使耐磨性下降。表面層的加工硬化對(duì)耐磨性的影響表面層的加工硬化對(duì)耐磨性的影響 由于加工硬化提高了表面層的強(qiáng)度，減少了表面進(jìn)一步塑性變形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5 1倍。2 2表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響 在交變載荷作用下，零件表面粗糙度、劃痕、裂紋等缺陷員易形成應(yīng)力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導(dǎo)致零件疲勞破壞。因此，對(duì)于重要零件表面如連桿、曲軸等，應(yīng)進(jìn)行光整加工，減小表面粗

8、糙度值，提高其疲勞強(qiáng)度。表面粗糙度的影響表面粗糙度的影響 適當(dāng)?shù)募庸び不茏璧K已有裂紋的繼續(xù)擴(kuò)大和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高疲勞強(qiáng)度。但加工硬化程度過(guò)大，反而易產(chǎn)生裂紋，故加工硬化程度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。拉應(yīng)力加劇疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；殘余壓應(yīng)力，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，而使零件疲勞強(qiáng)度提高。表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響影響極大影響極大 表面層的加工硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度影響表面層的加工硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度影響3 3表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性的影響表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性的影響殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進(jìn)入，可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性；表面粗表面粗糙度的糙度的影響影響表面粗糙

9、度值越大，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)；波谷越深，滲透與腐蝕作用越強(qiáng)烈。 零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度表面殘余應(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性影響表面殘余應(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性影響拉應(yīng)力則降低耐腐蝕性 4 4表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)的影響表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)的影響 表面殘余應(yīng)力會(huì)引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生表面殘余應(yīng)力會(huì)引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生變化，因此對(duì)配合性質(zhì)有一定的影響。變化，因此對(duì)配合性質(zhì)有一定的影響。相配零件間的配合關(guān)系是用過(guò)盈量或間隙值來(lái)表示的。表面粗糙表面粗糙度的影響度的影響 對(duì)間隙配合而言，表面粗糙度值太大，會(huì)對(duì)間隙配合而言，表面粗糙度值太

10、大，會(huì)使配合表面很快磨損而增大配合間隙，改變配使配合表面很快磨損而增大配合間隙，改變配合性質(zhì)，降低配合精度。合性質(zhì)，降低配合精度。 對(duì)過(guò)盈配合而言，裝配時(shí)配合表面的波峰對(duì)過(guò)盈配合而言，裝配時(shí)配合表面的波峰被擠平，減小實(shí)際過(guò)盈量，降低了連接強(qiáng)度，被擠平，減小實(shí)際過(guò)盈量，降低了連接強(qiáng)度，影響了配合的可靠性。影響了配合的可靠性。表面殘余應(yīng)力的影響表面殘余應(yīng)力的影響11.2 11.2 影響加工表面質(zhì)量的工藝因素影響加工表面質(zhì)量的工藝因素rrfHctgctg28fHr車(chē)削時(shí)殘留面積的高度f(wàn)rHmaxvfrb）Hmaxfa）vfrr q工件材料的性質(zhì)工件材料的性質(zhì)韌性韌性 表面粗糙度表面粗糙度 工件材料韌

11、性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。脆性脆性表面粗糙度表面粗糙度 加工脆性材料時(shí)，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工加工脆性材料時(shí)，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙。表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙。塑性塑性表面粗糙度表面粗糙度 工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，加工表面越粗糙。刺，加工表面越粗糙。l物理因素的影響物理因素的影響 同一材料金相組織同一材料金相組織 表面粗糙度表面粗糙度 故對(duì)中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，故對(duì)中碳

12、鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。q切削速度的影響切削速度的影響 加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響隨加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響隨切削速度的變化而變化（對(duì)積屑瘤和鱗刺的影響）；切削速度的變化而變化（對(duì)積屑瘤和鱗刺的影響）；切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小；越??；選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度；面粗糙度；切削速度對(duì)脆性材料的影響不大。切削速度對(duì)脆性材料的影響不大。切

13、削表面塑性變形和積屑瘤切削表面塑性變形和積屑瘤 切削45鋼時(shí)切削速度與粗糙度關(guān)系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRzq進(jìn)給量的影響進(jìn)給量的影響 減小進(jìn)給量減小進(jìn)給量f f固然可以減小表面粗糙度值，但進(jìn)給量固然可以減小表面粗糙度值，但進(jìn)給量過(guò)小，效率降低。過(guò)小，效率降低。 適當(dāng)增大刀具前角，提高刃磨質(zhì)量適當(dāng)增大刀具前角，提高刃磨質(zhì)量，合理選擇切，合理選擇切削液，抑制積屑瘤和鱗刺。削液，抑制積屑瘤和鱗刺。精鏜(車(chē))后的表面輪廓圖(橫向粗糙度) q磨削中

14、影響粗糙度的幾何因素磨削中影響粗糙度的幾何因素從從幾何因素幾何因素和和塑性變形塑性變形兩方面影響兩方面影響工件的工件的磨削表面磨削表面是由砂輪上是由砂輪上大量磨?？虅澊罅磕チ？虅澇鰺o(wú)數(shù)極細(xì)的出無(wú)數(shù)極細(xì)的刻痕形成刻痕形成的，工件的，工件單位面積上通過(guò)的磨粒數(shù)越多單位面積上通過(guò)的磨粒數(shù)越多，則刻痕，則刻痕越多，越多，刻痕的等高性越好刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小表面粗糙度值越小。磨削時(shí)磨削時(shí)切削力大切削力大速度高溫度高速度高溫度高，且磨粒大多數(shù)是負(fù)前角，且磨粒大多數(shù)是負(fù)前角，切削刃又不銳利，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒大多數(shù)磨粒在磨削過(guò)程中在磨削過(guò)程中只是對(duì)被加只是對(duì)被加工表面擠壓工表面擠壓，沒(méi)

15、有切削作用。加工表面在多次擠壓下出，沒(méi)有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時(shí)的現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時(shí)的高溫更加劇了塑性變形高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。故表面粗糙度值增大。p磨削中影響粗糙度的物理因素（通常是決定因素）磨削中影響粗糙度的物理因素（通常是決定因素）磨削用量對(duì)表面粗糙度的影響vw = 40(m/min)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40

16、.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）光磨次數(shù)-Ra關(guān)系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪(WA60KV)細(xì)粒度砂輪(WA/GCW14KB) 金剛石砂輪磨削工程陶瓷零件 太硬易使磨粒磨鈍 Ra 太軟容易堵塞砂輪Ra 韌性太大，熱導(dǎo)率差會(huì)使磨粒早期崩落Ra 。 由前述可知，表面質(zhì)量對(duì)零件的使用性能及壽命影響很大，由前述可知，表面質(zhì)量對(duì)零件的使用性能及壽命影響很大，如果最終工序不能保證零件表面獲得預(yù)期的表面質(zhì)量要求，則如果最終工序不能保證零件表面獲得預(yù)期的表面質(zhì)量要求，則可在工藝過(guò)程中增設(shè)表面強(qiáng)化工序，以改善表面性能?？稍诠に囘^(guò)程中增設(shè)表面強(qiáng)化工序

17、，以改善表面性能。 表面強(qiáng)化工藝表面強(qiáng)化工藝是指通過(guò)是指通過(guò)冷壓加工方法冷壓加工方法使使表面層金屬表面層金屬發(fā)生冷發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力。這種方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。這種方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。噴九強(qiáng)化噴九強(qiáng)化滾壓加工滾壓加工表面強(qiáng)化常用工藝方法表面強(qiáng)化常用工藝方法 1 1噴九強(qiáng)噴九強(qiáng)化化 利用壓縮空氣或離心力將大量的珠丸利用壓縮空氣或離心力將大量的珠丸( (直徑為直徑為0.40.4 4mm)4mm)以以高速打擊被加工零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓

18、應(yīng)力，高速打擊被加工零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，可以顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。珠丸可以是鑄鐵或砂石，鋼丸可以顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。珠丸可以是鑄鐵或砂石，鋼丸更好。噴丸所用設(shè)備是壓縮空氣噴丸裝置或機(jī)械離心式噴丸裝更好。噴丸所用設(shè)備是壓縮空氣噴丸裝置或機(jī)械離心式噴丸裝置，這些裝置使珠丸能以置，這些裝置使珠丸能以3535 50m50ms s的速度噴出。的速度噴出。珠丸(直徑為0.4 4mm)高速(35 50 m/s)打擊被加工 零 件 表 面使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力方法概要方法概要應(yīng)用應(yīng)用 噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強(qiáng)化后，硬化齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強(qiáng)化后，硬化層深度可達(dá)層深度可達(dá)0.7mm0.7mm，表面租糙度，表面租糙度RaRa值可由值可由3.2 3.2 減減少到少到0.4 0.4 ，使用壽命可提高幾倍到幾十倍。，使用壽命可提高幾倍到幾十倍。 2 2滾壓加工滾壓加工 利用淬硬的滾壓工具利用淬硬的滾壓工具( (滾輪或滾滾輪或滾珠珠) )在常溫下對(duì)工件表面施加壓力，在常溫下對(duì)工件表面施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，工件表面上原使其產(chǎn)生塑性變形，工件表面上原有的波峰被填充到相鄰的波谷中，有的波峰被填充到相鄰的波谷中，以減小表面粗糙度值，并使表面產(chǎn)以減小